Исследование свойств металлургического кокса

Прежде на коксохимических и металлургических заводах отбор проб кокса для различных испытаний производили вруч­ную вилами и лопатами. Пробы отбирали от сменной выработки малыми порциями че­рез определенные интервалы времени из железнодорожных ва­гонов или из насыпной массы, лежащей на движущихся транс­портерах. Выполненные экспериментальные работы, однако, показали, что при применении такого метода необходимая точность опре­деления физико-механических, химических и физико-химических свойств кокса не достигается. Для правильного технического контроля за производством металлургического кокса, есте­ственно, необходимо выяснить происхождение различия пока­зателей оценки качества кокса в действительности и на основа­нии взятой пробы. При изучении этого вопроса выяснилось, что, несмотря на одинаковый исходный состав угольной шихты, при неравных тепловых условиях коксования по высоте и ширине камер куски кокса получаются различной крупности, обладают отличной друг от друга прочностью, выходом летучих веществ и другими свойствами. В связи с этим стало ясно, что надежным признаком, обус­ловливающим нужную согласованность качества кокса в партии и во взятой от нее пробы, может и должно служить одинаковое соотношение кусков кокса по крупности. Установленное пра­вило, однако, само по себе не давало еще практических резуль­татов. Нужен был метод, пользуясь которым можно гарантиро­вать согласование ситового состава кокса в пробе и партии, отправляемой потребителю. Многие исследователи в нашей стране и за рубежом пыта­лись решить эту задачу путем усовершенствования ручного спо­соба отбора проб кокса. Но, несмотря на большие усилия, в этом направлении положительных результатов до настоящего вре­мени получить не удалось. Чтобы убедиться в несостоятельности такого совершенство­вания, рассмотрим явления, происходящие при отборе проб кокса ручным способом. Разделка проб для технического анализа может быть также представлена в виде новой, более рациональной схемы. Учитывая высокую точность результатов при применении принципа пропорционального отбора малых порций от первич­ных больших проб, совершенно нецелесообразны отбор и тру­доемкая Разделка 250 кг кокса для технического анализа. В этом случае порция кокса массой 25 кгу взятая из единой первичной пробы в 300—500 кг пропорционально ее грануло­метрическому составу, по всем свойствам будет давать резуль­таты не с меньшей, а с большей степенью точности, чем отдельно взятая проба от партии массой 250 кг. Новая схема разделки проб на технический анализ более проста (рис. 4). Вместо пятикратного в этом случае предусмат­ривается трехкратное дробление и двукратное квартование при объеме кокса, меньшем в 10 раз. В результате проведенных исследований можно констатиро­вать следующее. Новая система технического контроля направ­лена на уменьшение объема работ, сбережение металлургиче­ского кокса, улучшение условий труда пробоотборщиков. Она создаст возможность расширить круг испытаний на базе единой первичной пробы и повысить точность определений физико-ме­ханических, физико-химических и химических свойств метал­лургического кокса. Вне доменной печи кокс подвергается только механическому, а внутри ее одновременно механическому, термическому и хими­ческому воздействиям. На разных стадиях перемещения к доменному цеху на разру­шение кокса затрачивается различное количество энергии, кото­рая складывается из энергий, расходуемых на дробление, трение и сжатие. Когда кокс надает в железнодорожный вагон, в бун­кер, в силос, на передаточный желоб, на конус, на засыпь домны он подвергается главным образом воздействию дробящих уси­лий. Во время прохождения бункера и силоса, а также внутри доменной печи на него больше всего действуют силы сжатия, скалывания, излома и трения. На наших заводах существуют различные системы коксоподачи. Они различаются по числу и высоте падений кокса, по кон­структивному оформлению, техническому состоянию и другим особенностям. Все многообразие этих условий отражается на ситовом составе кокса. Реакционная способность твердых топлив Под реакционной способностью твердых топлив понимается активность их к реакции СОг+С-»-2СО. Эта реакция начина­ется при таких температурах, когда скорость обратной реакции 2СО-*-С02+С практически ничтожно мала. Например, Рид и Уиллер нашли, что при 850° С скорость обратной реакции в 166 раз меньше прямой и что с повышением температуры это отношение возрастает. Н. В. Лавров исследовал скорости горения угля и восста­новления СО2. Для опытов использовали угольные стержни диа­метром 5,5 мм и длиной 156 мм, которые помещали пучками в кварцевую трубку диаметром 41 мм, обогреваемую электри­ческим током. Температура опытов изменялась от 900 до 1200° С, скорость дутья составляла 8 м/сек. В. С. Альтшулер [92] по той же методике изучал скорости реакции восстановления С02 при применении пучков электродного угля диаметром от 5,5 до 12 мм и длиной от 60 до 200 мм. При этом определялось влия­ние различных концентраций С02 при температурах угля 1000 и 1100° С. Была проведена серия опытов, в которых темпера­тура угля изменялась от 800 до 1100° С. В этом случае истин­ная линейная скорость газового потока составляла от 0,1 до 10 м/сек. По методике Н. В. Лаврова оказалось возможным доста­точно точно определить скорость восстановления С02 на единицу поверхности угля в зависимости от скорости дутья и темпера­туры поверхности. Под руководством профессора В. И. Блинова Н. М. Сави­нов изучал скорости реакции на поверхности сферической ча­стицы электродного угля диаметром 15 мм, смываемой потоком С02 в электрической печи при температуре от 743 до 927° С. скорость реакции определяли по снижению массы угля, пользу­ясь весами специальной конструкции. Необходимо отметить, что скорости реакции восстановления двуокиси углерода, получен­ные различными исследователями, неодинаковы и отличаются от тех, которые наблюдались в вакууме. Очевидно, здесь большую роль играет внутренняя поверхность топлив, а также их струк­турные особенности и каталитический характер минеральных примесей. На реакцию восстановления С02 влияет процесс диф­фузии. Роль диффузионного процесса в реакции восстановления углекислоты особенно глубоко изучали А. С. Предводителев и О. А. Цуханова [93—95]. Указанные авторы провели многочис­ленные опыты с угольными трубками диаметром 7 мм и длиной 270 мм из электродного угля. Температура угля изменялась от 800 до 1400°С, а концентрация С02 — от 8 до 96,5% при истин­ных скоростях газа от 1 до 13 м/сек. В результате было уста­новлено, что скорость восстановления С02 зависит от состояния реагируемой поверхности. По мере разрыхления поверхности скорость восстановления увеличивается, но, достигнув опреде­ленного состояния разрыхления (на глубину несколько менее 3 мм), стабилизируется. скорость восстановления С02 возра­стает пропорционально первой степени концентрации углеки­слоты. Таким образом, промышленные коксы начинают реагировать •с СОг только при температурах выше 800° С. Более того, в тем­пературном интервале от 740 до 1130° С больших различий в ре­акционной способности разных коксов не наблюдается. Коксы, полученные в лабораторной печи из типовой угольной шихты Донбасса с добавками железной руды и мела, являются наибо­лее реакционноспособными топливами. Кокс, полученный из ка­кого-либо определенного угля с углекислотой, реагирует при по­ниженных температурах, но при 1040—1130° С реакция проходит так же, как в промышленных условиях, что объясняется их по­вышенной пористостью. Предварительная термическая обработка образцов промыш­ленного кокса, древесного угля и антрацита приводит к пониже­нию их реакционной способности. По мере повышения температуры в доменной печи реакцион­ная способность топлив возрастает, но при 1130° С еще не дости­гает предельного значения. Для доменных печей нужно топливо с умеренной реакцион­ной способностью, тогда будут обеспечены оптимальные размеры зон горения и расход углерода на единицу выплавляемого ме­талла. Крупность кокса значительно влияет на размеры кислородной и восстановительной зон. По мере ее увеличения зона горе­ния увеличивается. При этом максимальное содержание СОг в газе уже наблюдается дальше от устья истечения дутья, а средняя Температура горения слоя повышается. Различия физических и физико-химических свойств топлив существенным образом влияют на характер процесса горения в воздушном дутье. Температура горения кускового антрацита в слое выше, чем у кокса, и тем более чем у древесного угля. Древесный уголь по отношению к кислороду обладает наиболь­шей, а антрацит — наименьшей горючестью. кокс по горючести занимает промежуточное положение. Увеличение концентрации кислорода в дутье влечет за собой сокращение кислородной и восстановительной зон и повышает температуру горения топлив. В ряду многочисленных свойств доменного кокса равномер­ность по размеру кусков является одной из самых существенных характеристик. Чем больше равномерность кокса по крупности, тем выше его качество, тем вероятней всего можно ожидать наи­более высоких технико-экономических результатов работы до­менных печей. Увеличение в составе рядового металлургического кокса содержания очень крупных (>80 мм) и мелких кусков (<40 мм) понижает его качество и влечет за собой ухудшение работы доменной печи. До настоящего времени для улучшения качества кокса упо­требляют дефицитные коксующиеся угли марок Ж, К и ОС. До некоторой степени та же цель достигалась обогащением и под­готовкой углей, а также регулированием теплового режима кок­совых печей. В последнее время исследователи прежде всего за­нимаются усреднением углей, а также их избирательным дробле­нием, так как это наиболее эффективные способы улучшения качества кокса. И тем не менее нельзя отрицать того, что дей­ственность всех этих факторов по сравнению с равномерностью кокса по крупности все же сравнительно незначительна. В ря­довом металлургическом коксе всегда содержится большое коли­чество мелких и крупных классов. Соотношение этих классов после выдачи кокса из печей не остается постоянным и в про­цессе транспортировки изменяется. Таким образом, для рядо­вого металлургического кокса характерна не только исходная неравномерность по крупности, но и непрерывное ее изме­нение.